UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MORELOSDIRECCIÓN DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR

ACADEMIA INTERESCOLAR DE QUÍMICA

QUÍMICA I

ANTOLOGÍA

MATERIAL DE TRABAJO PARA REVISIÓN REVISIÓN: JULIO 2015

DRA. DALIA A. PARRILLA HERNÁNDEZ M. C. SILVIA JIMENEZ THOMAS

QI. ANGÉLICA ARELLANO FRANCO Q.I. ELSA SUSANA GARCÍA GUILLÉN

IOI. COTIANI AIDE CASTREJÓN MARBAN Q. SAGRARIO MARINA RIVAS

PARA USO EXCLUSIVO DE LA ACADEMÍA DE QUÍMICA Y FINES DIDÁCTICOS

Elaborado por:Preparatoria Diurna No. 1QI. Marina Ortiz González

MVZ. Magdalena Mendoza CruzQ.I. Silvia Adriana Herrera DíazPreparatoria Vespertina No. 1Ing. Sergio Montes DomínguezIng. José Jiménez BlancoPreparatoria Diurna No. 2

IQ. Ma. Lourdes Fernández CruzQI. Laura Pérez Abarca

Preparatoria Vespertina No. 2QI. Elsa Susana García GuillénIQ. Rodolfo F. García Cordero

Preparatoria de JojutlaMI. Edaly Alarcón Hernández

Profra. Crispina Emma Reyes OrtizProfr.. Adríán Ortiz FigueroaPreparatoria Diurna de CuautlaM.C. Silvia C. Jiménez Thomas

IQI Cotiani Aide Castrejón MarbánEscuela de Técnicos Laboratorìstas

QI. Lilia Catalán ReynaIQ. Delfina Oropeza Ortiz

QI. Angélica Arellano FrancoAvalado por la Academia Interescolar de Química

M en C. Inés Ayala Enríquez.- Preparatoria Comunitaria de TresMarías.

I. I. Imelda Versáñez Reséndiz.- Preparatoria de Puente de Ixtla.C. D. Patricia Rodríguez Martínez.- Preparatoria Vespertina de

Cuautla.Ing. Adrian Reyes Sibaja.- Preparatoria Diurna de Cuautla.

Ing. Adolfo Martínez Olivares.- Preparatoria Vespertina No. 1Dra. Dalia Azucena Parrilla Hernández.- Esc. de Técnicos

Laboratoristas.QI. Ignacio Valdivia Amador.- Esc. de Técnicos Laboratoristas M en C. Elisa García Alanís.- Esc. de Técnicos Laboratoristas

QI. Julia Reyes Mena.- Esc. de Técnicos Laboratoristas

INDICE

UNIDAD I. “MATERIA Y ENERGÍA”

1.1 Introducción a la Química1.1.1 Definición 1.1.2 Ramas de la Química1.1.3 Importancia1.2 Concepto de Materia 1.2.1 Estados de agregación1.2.2 Ley de la conservación de la materia 1.3 Concepto de energía 1.3.1 Tipos de energía1.3.2 Ley de la conservación de la energía1.4 Propiedades de la materia1.4.1 Propiedades Generales1.4.2 Propiedades específicas1.5 Fenómenos Físicos y Químicos1.5.1 Fenómenos físicos1.5.2 Fenómenos químicos1.6 Clasificación de la materia1.6.1 Elemento1.6.2 Compuesto1.6.3 Mezclas1.7 Separación de MezclasAUTOEVALUACIÓN

UNIDAD No. 2 “ESTRUCTURA DE LA MATERIA”

2.1 Evolución de la Teoría Atómica 2.1.1 Modelo atómico de Leucipo y DemócritoAUTOEVALUACIÒN

2.1.2 Modelo atómico de Dalton2.1.3. Modelo atómico de ThompsonAUTOEVALUACIÒN

2.2 Radiactividad2.2.1 Concepto de isótopo2.2.2. Tipos de radiactividad2.1.4. Experimento de Rutherford y su modelo AUTOEVALUACIÒN

2.3. Modelo atómico de Bohr2.4. Teoría cuántica2.4.1 Principio de Heisenberg2.4.2 Principio de Dualidad de De Broglie AUTOEVALUACIÒN

2.5 Números cuánticos2.5.1 Los cuatro números cuánticos2.6. Configuración electrónica2.6.1 Principio de Edificación Progresiva o de Aufbau 2.6.2. Principio de Exclusión de Pauli2.6.3 Principio de máxima multiplicidad o Regla de Hund2.6.4 Configuraciones electrónicas, Kernell y gráfica

UNIDAD No. 3 “PERIODICIDAD”

3.1 Antecedentes a la tabla periódica 3.2 Tabla periódica actual3.2.1 Ley periódica3.2.2 Propiedades de los elementos por familias o grupos3.2.3 Propiedades de los elementos por períodos3.2.4 Propiedades de los elementos por clase3.2.5 Peso atómico y número atómico3.2.6. Valencia y número de oxidación3.3 Propiedades periódicas3.3.1 Electronegatividad3.3.2 Radio atómico3.3.3 Energía de ionización3.3.4 Afinidad electrónicaAUTOEVALUACIÓN

3.4 Concepto de enlace químico3.4.1 Enlace iónico3.4.2 Enlace covalente polar, no polar y coordinado3.4.3 Enlace metálico3.4.4 Fuerzas de Van Der Waals3.4.5 Puente de hidrógeno3.5 Tipos de moléculas3.5.1 Polares3.5.2 No polaresAUTOEVALUACiÓN

UNIDAD No. 4 “CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS INORGÁNICOS”

4.1 Fórmula, función química y nomenclatura de:4.1.1 Óxidos Básicos4.1.2 Óxidos ácidos o anhídridosAUTOEVALUACIÓN4.1.3. Bases o HidróxidosAUTOEVALUACIÓN

4.1.4 HidrurosAUTOEVALUACIÓN

4.1.5. HidrácidosAUTOEVALUACIÓN

4.1.6. OxiácidosAUTOEVALUACIÓN

4.1.7 Sales BinariasAUTOEVALUACIÓN

4.1.8 OxisalesAUTOEVALUACIÓN

4.1.9 Sales acidas y básicasAUTOEVALUACIÓN

4.2. Estequiometría4.2.1 Determinación de pesos moleculares4.2.2 Número de Avogadro y concepto de mol4.2.3 Tipos de reacciones químicasAUTOEVALUACIÓN

4.2.4. Balanceo de ecuaciones químicas por tanteoAUTOEVALUACIÓN

BIBLIOGRAFÍA

UNIDAD IMATERIA Y ENERGÍA

1.1 Introducción a la Química

1.1.1. Concepto de Química

Puede definirse como la ciencia que estudia las propiedades,composición y transformación de la materia y la energía, así como lasleyes que la rigen.

Evolución de la Química

La historia de la Química es uno de los más admirables capítulosdel avance de la inteligencia humana, que nos demuestra la realidaddel lento desarrollo del pensamiento en la ciencia y su aceleradocrecimiento después de la aplicación de las matemáticas y el métodocientífico en la investigación de la materia y la energía.

Tratando de resumir la evolución histórica de la Química, se hantomado en consideración los hechos más relevantes de los siguientescinco periodos:

Antiguo. Desde la aparición del hombre hasta el año 300 D.C. De la Alquimia. Del año 300 al 1150 De la latroquímica. Del 1150 a 1650 Del Flogisto. Del año 1650 a 1775 De la Química Cuantitativa o Moderna. De 1775 hasta nuestros

días.

Periodo AntiguoDesde la aparición del hombre hasta el año 300 D.C.

Los Chinos conocían y aplicaban las pinturas, fabricaban elpapel, teñían los tejidos, conocían la imprenta, la pólvora, elagriado de la leche, la fermentación de los jugos dulces oazucarados, los cambios que experimenta la arcilla y el de algunosmetales al arder, etc.

En la civilización Egipcia nace la palabra Química derivada deChemia (quemia). Los sacerdotes fueron los encargados de desarrollarla ciencia. Sabían muy bien embalsamar cadáveres, conocían el oro, laplata, el cobre, el vidrio, la fabricación del jabón, etc.

Los hindúes dieron las primeras ideas sobre sustanciaselementales y la constitución de la materia. Admitían la existenciade cuatro elementos fundamentales: viento, tierra, agua y fuego.Además, sabían templar el acero.

Los griegos aceptaron los mismos elementos, sustituyendo alviento por el aire. De manera errónea se ha atribuido a Aristótelesla concepción de la materia integrada por estos cuatro elementos.

Periodo de la AlquimiaAño 300 a 1150, D.C.

A los Árabes se atribuye la introducción de los conocimientosorientales a Europa, antepusieron el prefijo al a la palabra quemia,formando así el vocablo alquemia (alquímica). Este periodo estuvodominado por el interés de los alquimistas en la transformación delos metales innobles en metales nobles, mediante la piedra filosofal.Los tres elementos que predominaron fueron: mercurio, azufre y sal.

Periodo de la latroquímicaAño 1150 a 1650 D.C.

Aunque la alquimia no desaparece del todo, Paracelso inicia unanueva época al tratar de encontrar el elixir para curar todas lasenfermedades y así, prolongar la vida. Con él nace la Química Médicaal establecer la teoría de que las enfermedades eran causadas porsustancias dañinas acumuladas en el organismo.

Otros hechos principales ocurridos durante este periodo fueron:El descubrimiento del bióxido de carbono, la introducción del métodoexperimental, inductivo y deductivo, el manejo del concepto deelemento y el análisis químico.

Periodo del FlogistoAño 1650 a 1775 D.C.

La teoría que da nombre a esta época es la del flogisto;principio de combustibilidad iniciado por Joaquín Becker yestablecido por Ernest Stahl.

Sus postulados eran los siguientes:

a) Todos los cuerpos pueden arder porque poseen la materia delfuego llamada flogisto:

b) Cuando una sustancia se quema, deja escapar flogisto en forma deflama.

c) La rapidez de la combustión de una sustancia, depende de lacantidad de flogisto contenida en ella.

Periodo de la Química Cuantitativa o ModernaAño 1775 hasta nuestros días

La Química Cuantitativa inicia con Antoine Lavoisier, quienconsideró los cambios producidos en la materia como fenómenosfactibles de medición (utilizó como instrumento una balanza).

A partir de ese momento, se cuentan los grandes descubrimientosen la Química Moderna. Se explica la combustión destruyendo la falsaidea del flogisto y también se establece la Ley de Conservación de laMateria. Aportaciones que no se limitan a los siglos XVIII y XIX,sino que incluso hoy en día se siguen desarrollando para beneficio dela humanidad.

Aplicaciones de la Química

La Química sirve a otras ciencias y a la industria. Sus principioshan sido aplicados al estudio de disciplinas como: Física, Biología,Agricultura, Ingeniería, Medicina; al igual que ha contribuido en lainvestigación espacial y la Oceanografía, entre otras muchasespecialidades.

Los procesos biológicos son de naturaleza química, por ejemplo: elmetabolismo del alimento para dar energía a los organismos vivos. Elconocimiento de la estructura molecular de proteínas, hormonas,enzimas y ácidos nucleicos ha servido a los Biólogos en sus estudiossobre la composición, desarrollo y reproducción de las célulasvivientes.

El papel de la Química en el combate de la creciente carestía dealimentos en el mundo, es muy importante. La producción agrícola sebeneficia con el uso de fertilizantes químicos, pesticidas yvariedades mejoradas de semillas. Los refrigerantes hacen posible enla industria de alimentos congelados, la preservación de grandescantidades de productos. También por medio de la Química se producennutrientes sintéticos.

Los avances en la Medicina y la Quimioterapia a través deldesarrollo de nuevos fármacos, han contribuido a la prolongación dela vida y al alivio del sufrimiento humano en las enfermedades. Másdel 90% de los medicamentos de uso actual, se han desarrolladocomercialmente durante los últimos 50 años.

Virtualmente toda la industria de los productos químicos, lasindustrias de plásticos y polímeros, desconocidas hace 60 años, hanrevolucionado las industrias del empaque y textiles, actualmente seproducen materiales de construcción durables y útiles. Energíaderivada de los procesos químicos, se emplea para calefacción,alumbrado y transporte. Si miramos en nuestro alrededor es fácilnotar cómo es que la mayoría de objetos de los que estamos rodeadostuvieron que pasar por un proceso químico como: el barnizado de lasbutacas, las instalaciones, los alimentos que se consumen, los útilesescolares, las medicinas, los combustibles, nuestra propiavestimenta, etc.

1.1.2. Ramas de la Química

Atendiendo a su extensión y complejidad, el estudio de estaciencia se ha dividido en las siguientes ramas:

Es importante señalar que debido al desarrollo tan grande de laQuímica en los últimos dos siglos, ha sido necesario ampliar elnúmero de ramas, entre ellas se puede mencionar: la Electroquímica,la Química Nuclear, la Petroquímica y la Radioquímica entre otras.

Sin duda, el desarrollo de la humanidad en todos sus campos haránecesaria la apertura de otras cada vez más especializadas; noobstante, éstas seguirán conservando su relación con el concepto deQuímica.

1.2. Concepto de Materia

Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y semanifiesta en masa, tiempo y energía.

1.2.1. Estados de agregación

La materia existe en tres estados, el sólido, el líquido y elgaseoso.

a) Estado sólido. Se caracteriza por conservar una forma y unvolumen fijo, debido a que la cohesión de las moléculas esfuerte y generalmente están ordenadas de manera simétrica, altadensidad, las moléculas presentan movimientos vibratorios

b) Estado líquido. Ocupa un volumen fijo, pero conservan la formadel recipiente. Las fuerzas intermoleculares son menores. Lasmoléculas se trasladan libremente, pero se encuentran cercanasunas de otras, presentan capilaridad, tensión superficial

c) Estado gaseoso. Las moléculas de un gas están en constantemovimiento alejándose unas de otras por repulsión, de modo queno tienen volumen fijo ni forma definida, la fuerza de atracciónentre moléculas es menor y se presentan separadas ydesordenadas, poca densidad, fácilmente se comprimen, densidadmínima

Cambios de estado

En nuestro medio ambiente y bajo ciertas condiciones, lassustancias se presentan en uno de los estados de agregación antesmencionados, pero pueden cambiar de uno a otro si las condiciones depresión y temperatura lo hacen también

Los cambios de estado de las sustancias puras permiten fijaralgunas de sus constantes físicas (puntos de fusión, de ebullición,etc.) mismas que definen su identidad. Los cambios de estado son:

a) Fusión. Es el paso del estado sólido al líquido. La temperaturasiempre tiene el mismo valor para una sustancia. Por ejemplo, elpunto de fusión del agua siempre será de 0°C y del hierro,1535°C

b) Evaporación. Cambio que experimenta la materia cuando un líquidopasa al estado gaseoso, por incremento de temperatura. Ejemplos:sustancias como el alcohol, la acetona, la gasolina, etc., queal entrar en contacto con el medio ambiente se evaporan sin quesea necesario un suministro de calor directo.

c) Condensación. Es el paso del estado gaseoso al estado líquido.Ejemplo: El agua del mar cuando se evapora se transforma ennubes y posteriormente se precipita como lluvia.

d) Solidificación o congelación. Es la temperatura a la cual unasustancia pura cambia del estado líquido al estado sólido.Ejemplo: Cuando a un molde se ha vaciado, plástico, acero o cera

fundidos, requieren de la solidificación para obtenerlos en laforma deseada.

e) Sublimación. Es la transformación directa de un sólido a gas sinpasar por el estado líquido. Pocas sustancias se conocen coneste comportamiento, entre ellas están el yodo, la naftalina yalgunas de tipo orgánico. Cuando el gas se convierte en sólidose ha efectuado una sublimación inversa o deposición.

f) Licuefacción. Es el paso del estado gaseoso al estado líquido ydebe aplicarse presión para conseguir el cambio. Ejemplos: laobtención del aire líquido o de alguno de sus componentes(oxígeno y nitrógeno), gases que se pueden tener en estadolíquido tales como el gas doméstico, el de un encendedor, etc.

1.2.2. Ley de la conservación de la materia

Este hecho fue observado por el francés Antoine Lavoisier en1783 y establece: “La materia no se crea ni se destruye solo setransforma”. En particular este principio es válido para lasreacciones químicas. La cantidad total de las sustancias quereaccionan es igual a la de aquellas que se producen en la reacción.

1.3. Concepto de energía

Se define como la capacidad para realizar un trabajo otransferir calor. Se realiza trabajo cuando se desplaza una masa a lolargo de una distancia.

1.3.1. Tipos de energía

Son formas comunes de energía: luz, calor, energía eléctrica,mecánica, química, etc.La energía se puede convertir de una forma en otra. Por ejemplo,cuando enciendes una linterna la energía química almacenada en lasbaterías se convierte en energía eléctrica y, finalmente, en luz y unpoco de energía calorífica.Las diversas formas de energía se clasifican como: cinética ypotencial.La energía cinética es energía de movimiento y la potencial esenergía almacenada ( por posición, condición o composición).

1.3.2. Ley de la conservación de la energía

Siempre que ocurre una reacción, hay también un cambio deenergía, o bien la reacción libera energía o ésta se requiere demanera continua para que la reacción prosiga. Este fenómeno tiene unaexplicación: La energía no se crea ni se destruye solo se transforma durante losprocesos químicos, esto se conoce como ley de la conservación de laenergía.

1.4. Propiedades de la materia

1.4.1 Propiedades Generales o extensivas. Aquellas que toda la materiatiene por el hecho de ser materia.

Peso: fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la tierra sobrecualquier cuerpo.

Volumen o extensión: lugar que todo cuerpo ocupa en el espacio. Enél, se consideran tres dimensiones: longitud, ancho, grosor,altura o profundidad.

Masa: existencia de materia en forma de partículas. Inercia: propiedad de los cuerpos al mantener su estado de reposo

o movimiento hasta que interviene una fuerza que lo modifique.

Impenetrabilidad: dos cuerpos no pueden ocupar el mismo lugar enun tiempo determinado.

Porosidad: son todos los espacios intermoleculares en la materia(poros).

Divisibilidad: es la fragmentación de la materia. Elasticidad: deformación de la materia al aplicar una fuerza y

regresar a su estado original cuando la fuerza desaparece.

1.4.2 Propiedades específicas o intensivas, se utilizan paradescribir la materia o diferenciarla de otra. Su valor es específicoy no dependen de la cantidad de masa en estudio. Éstas son:

Punto de fusión: temperatura a la cuál una substancia se funde Punto de Ebullición: temperatura a la cuál un líquido hierve Acidez: característica de las substancias de poseer un sabor

agrio. Solubilidad: es una propiedad que tienen ciertas sustancias de

poder disolverse en otras Viscosidad: es la propiedad de los líquidos de circular con

dificultad por conductos Maleabilidad: es la capacidad de las substancias para convertirse

en láminas Tenacidad: es la resistencia que opone un cuerpo a romperse Brillo: es el aspecto que ofrece la superficie de un mineral al

reflejar la luz. Calor específico: es una magnitud física que indica la capacidad

de un material para almacenar energía interna en forma de calor Conductividad térmica y eléctrica: es la capacidad que existen en

diversos materiales para poder transmitir el calor fácilmente

Densidad: es la relación entre la masa de una materia y el volumenque ocupa y mide, en cierto modo, lo concentrada que está la masa de un cuerpo

Dureza: es la resistencia que presentan los materiales a serrayados.

Ductilidad: es la propiedad que presentan algunos metales yaleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarsesin romperse permitiendo obtener alambres o hilos

Fragilidad: son los materiales que se rompen con facilidad antesde deformarse., como muchos tipos de vidrio o las cerámicas,

Sabor, textura, color, etc.

1.5 Fenómenos Físicos y Químicos

Fenómeno es la modificación o cambio que experimenta la materiabajo la acción de diferentes formas de la energía.

1.5.1 Fenómenos físicos. Son las modificaciones o cambios que noalteran la composición de la materia. Estos fenómenos enocasiones desaparecen al cesar la causa que los origina y en sumayoría son reversibles.

Ejemplos: El paso de la corriente eléctrica por un alambre La presión de un gas en un cilindro La acción de un martillo sobre una pieza de metal Electrizar una tela de lana o seda, al frotarla con una barra de

ebonita El combinar azufre con agua El rompimiento de una silla El movimiento de los cuerpos. Cuando la madera se convierte en viruta

1.5.2 Fenómenos químicos. Son aquellos que la materia presentacuando sufre cambios en su composición, es decir, se transformacompletamente en una sustancia nueva y diferente. La mayoría deestos fenómenos son irreversibles.

Ejemplos: La combustión de fósforo, papel, gasolina o madera La corrosión de los metales El revelado de una fotografía El tostado de un pan La descomposición de materia orgánica La explosión de la nitroglicerina, dinamita. El horneado de un pastel La deshidratación de una sustancia con H2SO4

1.6. Clasificación de la materia

CONSTITUCIÓN

Molécula: Expresión mínima de un compuesto o de una sustancia queconserva sus características. Cuando la sustancia está formada de un par de átomos de un mismoelemento es diatómica (H2), cuando está formada por tres estriatómica (O3), y poliatómica cuando hay más de tres átomos (S8)

Otras sustancias están formadas de moléculas con elementosdistintos como por ejemplo: H2O, HCl, C6H12O6, NaOH

Átomo: Los átomos son las partículas más pequeñas de un elemento queconserva sus propiedades. COMPOSICIÓN

1.6.1 Elemento: Es el conjunto de átomos que presentan las mismaspropiedades, características, tienen un número atómico definido y nopuede descomponerse en otros más sencillos por métodos químicos;tienen un lugar en la Tabla Periódica, se considera la sustancia mássimple.

1.6.2. Compuesto: Es la unión química de dos o más elementosdiferentes que pueden separarse por métodos químicos, los elementosinvolucrados tienden a perder sus propiedades físicas y químicas,como ejemplo la sal de mesa NaCl, que es un compuesto que sirve paracondimentar los alimentos y es un sólido blanco, en cambio loselementos de este compuesto por separado tienen las siguientescaracterísticas: el sodio como elemento es un metal gris brillantemuy reactivo y el cloro es un gas, no metal, venenoso y amarilloverdoso.

1.6.3. Mezclas

Son el resultado de la unión física de dos o más sustancias(elementos o compuestos) en proporciones variables que conservan suspropiedades individuales, pueden separarse por métodos físicos. Lasmezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

a) Mezclas homogéneas

Combinación de dos o más sustancias solubles entre sí, quepresentan una sola fase, sus componentes no se aprecian a simplevista, conocidas como solución o disolución. Constituidas por unsoluto y un solvente.

Soluto: Es la sustancia que se va a disolver, está en menorproporción o tiene mayor actividad química.

Solvente: Es la sustancia que disuelve al soluto, también se ledenomina disolvente

Las soluciones se pueden presentar en los diferentes estados deagregación de la materia. Por ejemplo: el aire, el agua de mar, lasaleaciones, el vino, los plásticos, una salmuera, etc.

b) Mezclas heterogéneas

Es la combinación de dos o más sustancias insolubles entre si y decomposición variable, presentan dos o mas fases, sus componentes sepueden distinguir a simple vista.

Por ejemplo: arena, pólvora, una salsa, tierra, una roca, arenacon agua, agua con aceite, hierro con azufre etc.

Las mezclas son consideradas como los materiales que con mayorfrecuencia trabaja un químico. Una de las tareas más relevantes querealiza, es la separación de las mismas, para lo cual emplea procesosfísicos con la finalidad de obtener productos o sustancias puras.

1.7. Separación de Mezclas

Entre los procesos más comunes para la separación de mezclas seconsideran los siguientes:

Deca

ntac

ión

Es un procedimiento que se utilizapara separar mezclas heterogéneas porejemplo un sólido de grano grueso(arena), insoluble en el agua. Eneste caso la mezcla se deja reposarpara que las partículas sedimenten yse puedan separar de la fase líquidavertiendo solo el líquido en otrorecipiente evitando el paso delsólido sedimentado, a esteprocedimiento se le llamadecantación. Otro ejemplo puede seruna mezcla de líquido-liquido (agua-aceite), cuya separación se realizautilizando un embudo de separación.

Filtra

ción

Es un proceso que se utiliza paraseparar mezclas sólido-líquido, conel propósito de eliminarcontaminantes sólidos de un líquido obien para recuperar un producto; ésteproceso se realiza haciendo pasar lamezcla por un medio poroso ( papelfiltro, algodón, fibra de vidrio,etc. ) en donde las partículassólidas quedarán retenidas entre lasfibras del material filtrante

Evap

orac

ión

Este método se emplea principalmentepara separar un sólido disuelto en unlíquido. Consiste en calentar lamezcla hasta que el líquido seevapore, quedando el sólido en elrecipiente; por ejemplo una mezclaintegrada por sal de mesa (cloruro desodio) disuelta en agua. Elprocedimiento consiste en calentar lamezcla, llegará el momento en que elagua alcance su punto de ebulliciónevaporándose y quedando en el fondodel recipiente la sal.

Crom

atog

Es una técnica usada en la separación e identificación de loscomponentes de una mezcla, La base de este método físico esla distribución de los componentes entre dos fases que seconocen como fase móvil y fase estacionaria. Cada componentede la mezcla se distribuye en la fase estacionaria según suinteracción con ésta al ser arrastrado por la fase móvil.Existen varias técnicas cromatográficas siendo las máscomunes en el laboratorio las siguientes:

rafía

Papel: consiste en teneruna fase estacionaria quees un papel filtro y lafase móvil un disolvente ouna mezcla de varios, lamuestra se aplica con ayudade un capilar en la parteinferior. El disolventeeluye (sube) y arrastra loscomponentes de la muestra.

Capa fina: se diferenciaporque la fase estacionariaes una capa de sílica geldepositado sobre una láminade vidrio o de metal(análoga a la de papel).

Gases: es una técnica quese puede emplear en elcontrol de verificaciónvehicular para analizar losgases de combustión, endonde la fase estacionariaes un sólido o líquidodepositado en un capilar yla fase móvil es un gasinerte y la muestra seencuentra en fase gaseosa.

Columna: muestra la faseestacionaria en unasubstancia adsorbenteinsoluble que puede sercarbón activado, silica gely la fase móvil es undisolvente que por acciónde la gravedad arrastraselectivamente a la mezclaseparando alguno o algunosde los componentes.

Dest

ilac

ión

simp

le

También es un método que seutiliza generalmente paraseparar mezclas de líquidosmiscibles (soluble uno enel otro) de diferentespuntos de ebullición. Esteproceso incluye primero unaevaporación yposteriormente unacondensación inmediata. Porejemplo una mezcla de agua-alcohol, al calentar lamezcla por diferencia depunto de ebullición, sesepara el alcohol del agua.

Crista

liza

ción

Es un método que se empleapara separar un sólidodisuelto. El procedimientoconsiste en calentar lamezcla y posteriormente seenfría en un baño de hielopara la formación decristales, los cuales seseparar mediante unafiltración.

Tamiza

doProceso destinado para laseparación por tamaño departícula de una mezclasólida. Se basa en hacerpasar las partículas demenor tamaño a través deuna malla de paso definido.Las mallas de los tamicesestán construidas conmateriales metálicos oplásticos. Los tamices seles comunica en movimientode vaivén o vibración paraasegurar una separacióncorrecta.

Subl

imac

ión

Método que se utiliza parapurificar sólidosvolátiles. La presión devapor elevada de unasustancia sólida permiteque sublime (I2 y CO2),cuando se calienta, y seforma cristales de lasustancia purificada cuandoel vapor se deposita sobreuna superficie más fría delaparato, donde sesolidifica.

Magnet

ismo

o

Es un método para separarun mineral con propiedadesmagnéticas (compuestos de

hierro, cobalto y níquel deotro utilizando un

electroimán.

Cent

rifu

gaci

ónConsiste en una operaciónde movimiento rotatorio agran velocidad, al que sesometen las mezclas sólido-líquido para separar suscomponentes de los cualesel sólido es insoluble y degrano fino. En este caso lafuerza centrífuga producidapor la rotación delrecipiente provoca que laspartículas sólidas setrasladen a los costadosdel mismo, obteniendo porun lado el líquidoclarificado y por el otrolas partículas del sólido.

AUTOEVALUACIÓNUNIDAD I

I. Clasifica las siguientes sustancias, escribiendo en elespacio de la izquierda el estado de agregación en quehabitualmente se encuentran

_________________ Refresco ____________________ Cemento(polvo)_________________ Aire ____________________ Atole_________________ Aceite de cocina ____________________ Neblina_________________ Smog ____________________ Mercurio_________________ Oxígeno ____________________ Fierro(limadura)

II. Menciona que método usarías para separar las siguientesmezclas:

a) Sal en agua

_______________________________________________

b) Alcohol y agua

_______________________________________________

c) Aceite y agua

_______________________________________________

d) Azufre, hierro en limadura

_______________________________________________

e) Arena y agua

_______________________________________________

III. Escribe en el paréntesis de la derecha una F si el fenómenoes físico y una Q si el fenómeno es químico

1. Cocimiento de los alimentos ( )2. Evaporación del agua ( )3. Sublimación de aromatizante en pastilla ( )4. Quemado de gas en las estufas ( )5. Descomposición de la materia orgánica ( )6. Formación de las capas de nieve ( )7. Germinación de una semilla ( )8. Cambio de color de las hojas ( )9. La explosión de una bomba ( )10. La lluvia ( )

IV. Escribe en el espacio de la izquierda una E si la sustanciaes un elemento, una C si es un compuesto y una M si es unamezcla

______________________ Fierro _____________________ Aceite consal______________________ Harina de arroz _____________________ Chilesen vinagre______________________ Cobre _____________________ Miel conlimón______________________ Petróleo _____________________ Pozole______________________ Carbón _____________________ Azúcar

V. Lee cuidadosamente cada pregunta. Subraya la respuestacorrecta

1. La ciencia que estudia la composición y propiedades de lamateria, los cambios que experimenta y la energía asociada aellos es la:

a) Física b) Biología c) Químicad) La Fisicoquímica

2. La rama de la Química que trata fundamentalmente de los cambiosenergéticos, las leyes, principios y teorías que explican lastransformaciones de una forma de energía a otra:

a) Fisicoquímica b) Bioquímica c) Químicad) Química

Analítica Orgánica

3. Todo lo que requiere energía para un cambio de estado, de reposoo de movimiento se conoce como:

a) Materia b) Densidad c) Gravedad d) Inercia

4. Es el estado de la materia que se caracteriza por conservarforma y volumen definidos, debido a que la cohesión de lasmoléculas es fuerte.

a) Líquido b) Sólido c) Plasmad) Homogéneo

5. Como la cohesión no es fuerte, sus moléculas no permanecen en unsolo lugar y se deslizan unas sobre otras, tomando la forma delrecipiente que la contiene, son características del estado:

a) Líquido b) Sólido c) Coloidal d) Gaseoso

6. La mezcla heterogénea es aquella que:a) Sus componentes no se distingue a simple vistab) Sus componentes se distinguen a simple vistac) Al reaccionar con agua se disuelved) Al calentarse desprende oxígeno

7. Sustancias puras que no pueden descomponerse en otras mássimples, por métodos químicos ordinarios.

a) Elementos b) Compuestos c) Moléculasd) Electrones

8. Las sustancias puras que pueden descomponerse en otras mássimples se llaman:

a) Elementos b) Átomos c) Electrones d)Compuestos

9. Es el cambio que experimenta el agua al pasar de líquido asólido, por disminución de la temperatura

a) Sublimación b) Licuefacción c) Solidificaciónd) Fusión

10. Es el cambio que experimenta el hielo seco al pasar delestado sólido a gaseoso, por aumento de temperatura.

a) Sublimación b) Licuefacción c) Solidificaciónd) Fusión

11. La temperatura a la cual una sustancia pura cambia delestado sólido al estado líquido se llama punto de:

a) Sublimación b) Solidificación c) Ebulliciónd) Fusión

12. La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma;es enunciado de:

a) La Ley de la Conservación de la Energíab) La Ley de la Conservación de la Materia y la Energíac) La Ley de la Conservación del Estado Gaseosod) La Ley de la Conservación de la Materia.

UNIDAD No. 2 ESTRUCTURA DE LA MATERIA

2.1 Evolución de la Teoría Atómica El mundo que nos rodea se compone de muydiversos materiales, algunos vivos, otrosinanimados. Además, la materia cambia confrecuencia de una forma química a otra.

En sus intentos por explicar estasobservaciones, los filósofos desde lostiempos más antiguos han especulado acercade la naturaleza del material fundamentaldel que está hecho el mundo.

Uno de los primeros filósofos que se atrevióa abordar el tema fue el griego Tales de

Mileto (640 -546 A. de J.C.). Hizo prolongados viajes a Egipto y secree que bajo la influencia del imponente Rio Nilo, Tales de Miletopensó que lo que constituía la materia universal era el agua.

Por su parte Anaxímenes (585 - 525 A. de J.C.) consideró el airecomo la materia universal. Heráclito de Éfeso (540 – 480 A. de J.C.)pensó que el fuego etérico asimilaba el alma, “todo está hecho defuego y a él todo regresa”.

Empédocles de Agrigento (490 – 430 A. de J.C.) filósofo, poeta,físico, médico. Consideraba cuatro elementos: agua, aire, tierra yfuego y dos fuerzas divinas, una atractiva y otra repulsiva, algo asícomo el amor y el odio.

Leucipo (450 – 370 A. de J.C.) inició la famosa escuelaatomista. Era un racionalista altamente convencido, escribía “Nadasucede por casualidad, sino al contrario, todo tiene una causanecesariamente”. Se cree que fue el primero en considerar que: “Lamateria al dividirse en trozos cada vez más pequeños llegaría a unapartícula tan pequeña que ya no podría dividirse”.

Fue en el mismo siglo V cuando Demócrito de Abdera (460 – 370 A.de J.C.) propuso que “La materia está formada de átomos”. Esta doctrinadefiende que la materia se constituye por pequeñas partículas que yano se pueden dividir, se llama Atomismo.

2.1.1 Modelo atómico de Leucipo yDemócrito

Demócrito llamó átomos (loindivisible) a las partículas que seobtenían de dividir a la materia hastalograr el menor tamaño posible.Suponía que en el Universo sóloexisten átomos y un vacío.

Además supuso que los átomos de

cada elemento son diferentes en tamaño y forma y que ésta diferenciales da a los elementos sus distintas propiedades.

Aristóteles ignoró (porque no la consideraba necesaria) lavisión del mundo propuesta por Demócrito, así la teoría atomística alser indefendible se hizo impopular.

AUTOEVALUACIÓN

Lee cuidadosamente cada pregunta. Subraya o complemente la respuesta correcta

1) Los primeros que trataron de explicar la naturaleza de la materia,fueron los :

a) Egipciosb) Feniciosc) Griegosd) Romanos

2) La materia universal está formada por el agua:a) Leucipob) Demócritoc) Anaximandrod) Tales de Mileto

3) Pensó que el fuego constituía la materia :a) Anaximandrob) Leucipoc) Tales de Miletod) Heráclito de Éfeso

4) Empédocles de Agrigento consideraba que la materia estabaconstituida de: agua, aire ______________ y ____________.

5) Pensó que la materia al dividirse indefinidamente debería llegar aalguna partícula que no sufriría división posterior:

a) Anaximandrob) Heráclitoc) Leucipod) Tales de Mileto

6) La materia está formada de átomos y vacío :a) Demócritob) Anaximandroc) Heráclitod) Tales de Mileto

2.1.2 Modelo atómico de Dalton

John Dalton en 1803 expuso su modeloatómico basado en las leyes ponderales,

conservó el término átomo para las pequeñas partículas que forman lamateria.Los enunciados fundamentales de su modelo fueron:

La materia está constituida de partículas muy pequeñas llamadasátomos.

Los átomos de un mismo elemento, son iguales entre,principalmente en el peso.

Los átomos de elementos diferentes, son diferentes entre sí. Cuando los átomos, se combinan lo hacen en proporciones

definidas de números enteros. Con el modelo de Dalton se definen los elementos y compuestos.

Dalton propuso los primeros símbolos de algunos elementosy compuestos. La concepción del átomo de Dalton como una bola de billarsólida se vino abajo mediante estudios de la corrienteeléctrica.

2.1.5. Modelo atómico de Thomson

Para explicar la existencia de partículas negativasen el experimento de rayos catódicos, Joseph JohnThomson propone un modelo atómico que se puederelacionar con “Budín de pasas” o “Pastel de pasas”

El modelo atómico de Thomson consiste enuna esfera con carga positiva (budín o pastel), en dondelos electrones con carga negativa (pasas) se encuentran incrustados.Sin embargo este modelo sólo explica las propiedades eléctricas de lamateria.

Descubrimiento del electrón

Para nuestros fines la estructura del átomo se divide en dospartes:

1) La estructura externa: Es la parte que es visible hacia elexterior y que se manifiesta en las reacciones químicas.

2) La estructura interna: Es aquella que parece esconderse en loscambios químicos pero se manifiesta en los cambios nucleares.

Electrón

Primera partícula de la estructura atómica

Históricamente la primera partícula subatómica que sedescubrió fue el electrón. Los efectos de su presencia fueronconocidos por los griegos en la electrización de la materia.

Tales de Mileto observó que el ámbar de la resina natural seelectrizaba al ser frotada y atraía objetos ligeros. En griegoelectrón se dice ámbar, de ahí el origen de las palabras electrón yelectricidad.

Modelos electrónicos del átomo

El físico Julius Plücker en 1858 descubre los rayos catódicos enun tubo de Geissler al vacío sellado con dos electrodos como laslámparas de mercurio y neón actuales.

El físico y químico William Crookes construyó un tubo a un vacíomayor (tubo de Crookes o de descarga) para estudiar mejor los fenómenos luminosos.

Con la evidencia experimental disponible, en 1876 el físicoalemán Eugen Goldstein llamó a este flujo rayos catódicos.

Más tarde el físico inglés Joseph John Thomson mediante tubosde alto vacío y un campo eléctrico estudia la desviación de los rayoscatódicos. Con este experimento Thomson concluye que los rayoscatódicos son un flujo de partículas con carga negativa.

En 1911 el físico americano Robert Andrews Millikan por medio desu experimento de la gota de aceite midió con gran exactitud la cargaeléctrica que podía transportar una partícula (la primera partículasubatómica). Esta carga unitaria es la más pequeña del Universo.

Las partículas de los rayos catódicos terminaron llamándoseelectrones y a J.J. Thomson se le considera el descubridor de estaprimera partícula subatómica.

George Johnstone Stoney físico y matemático irlandés, estudioso de laestructura de la materia, se dedicó a realizar una primera evaluacióndel número de Avogadro. En 1874 estableció la hipótesis según la cualla electricidad era creada por unos corpúsculos elementales que llamóelectrones, cuya carga intentó calcular.

Distribución de los electrones

AUTOEVALUACIÓN

Lee cuidadosamente cada pregunta. Subraya o complementa la respuesta correcta

1) Actualmente considera al átomo como una partícula ¿Divisible oindivisible? Explique su respuesta.

2) La partícula subatómica que se conoce desde la antigüedad y que semanifiesta en las tormentas eléctricas, es el:a) Neutrónb) Protónc) Electrónd) Nucleón

3) Partícula subatómica ligera que por frotamiento puede pasar de uncuerpo a otro:

4) Al flujo de electrones obtenidos en un tubo de descargamodificado, Eugen Goldstein lo denominó rayos:

5) Escribe lo que entendiste del modelo atómico de Thomson

Relaciona las columnas en el cuadro siguiente

()

Propuso que la electricidad era creadapor electrones

a) Eugen Goldstein

()

Demostró que los rayos catódicos son unflujo de partículas con carga negativa b) Robert Millikan

()

Estudió los fenómenos luminososproducidos en un tubo de alto vacío c) Julius Plüker

()

Midió con gran exactitud la cargaeléctrica que podía transportar unapartícula

d) Joseph John Thomson

()

En sus investigaciones descubre el tubode rayos catódicos, en un tubo al vacíosellado con dos electrodos

e) William Crookes

()

Les llamó rayos catódicos a la luz queprocede del cátodo en el tubo de deCrookes

f) George Johnstone Stoney

2.2 Radiactividad

En 1896 Antoine Henry Becquerel pensó que había relaciónentre la fluorescencia de los rayos X y la de otros materialesfluorescentes. Envolvió en un papel negro una película fotográfica yle colocó una sal fosforescente de uranio. Para activar la sal laexpuso al sol. Observó que el rollo se velaba, y, al repetir el

experimento, aunque la película con el cristal de uranio no seexpusieran a la luz, de todos modos se velaba.

Becquerel descubrió la radiactividad, propiedad que tienenalgunos materiales de emitir radiaciones.

Marie Sklodowska Curie, la primera mujercientífica de renombre internacional, la llamóradiactividad al fenómeno descubierto porBecquerel y encontró con ayuda de su esposoPierre Curie que la radiación también laemitían algunos materiales como el uranio y eltorio puros.

2.2.2 Concepto de isótopo

Los isótopos se detectaron debido a que al fisionarse el uranioo el torio se obtenían docenas de productos de desintegración.

Frederick Soddy sugirió que en un mismo lugar de la Tablaperiódica podrían encontrarse más de un tipo de átomos. Debería habermás de una variedad de Uranio (Z o No.atómico = 92) y diferentes variedades de plomo en el número atómico82, etc. Sodyy denominó a estas variedades atómicas que ocupaban la mismacasilla en la Tabla periódica Isótopos de la palabra griega quesignifica “Mismo lugar”.

Francis William Aston aplicando un campo magnético a iones de unelemento, confirmó los resultados para otros elementos.

Aston separó iones del mismo elemento con base a sus diferentesmasas obteniendo así una imagen de manchas separadas o Espectro deMasas. Cada mancha corresponde a un isótopo.

8+8±

8+9±

8+10±

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen el mismonúmero de protones, pero diferente número de neutrones.

En los isótopos, el núcleo se simboliza escribiendo el No.atómico con la letra Z en la parte inferior izquierda del símbolo yel No. de masa A en la parte superior. Por ejemplo:

Isótopo: Oxígeno A= 16 (Z = 8) 16 A = 8 protones + 8 neutrones = 16 8

Isótopo: Oxígeno A= 17 ( Z = 8 )

17 A = 8 protones + 9neutrones = 17 8

Isótopo: Oxígeno A= 18 ( Z = 8 )

18 A = 8 protones + 10 neutrones = 18 8

Cuando un isótopo es radiactivo se le llama Radioisótopo.

En 1899 Rutherford observó que la radiación descubierta noconstaba de un solo tipo de rayos.

Al pasar a través de un campo magnético perpendicular unos rayosse desvían en un sentido, otros en el sentido contrario y, en 1900Paul Villar descubrió otros que no eran afectados.Rutherford los llamó rayos alfa (), beta () y gamma ().

2.2.2. Tipos de radiactividad

Rayos gamma () Se afectan por uncampo magnético

Su radiación essemejante a la luz

Rayos Beta ()Se desvían en elmismo sentido que losrayos catódicos

Rayos Alfa () Se desvían en sentidocontrario que los

Tienen carga positivay su masa es cuatro

veces la masa de losprotones

2.1.6. Experimento de Rutherford y su modelo

En 1909, ErnestRutherford, en Inglaterrallevó a cabo el primerode una serie deexperimentos importantesque revelaron unordenamiento muydiferente al modelo

atómico de Thomson.

El experimento de Rutherford semuestra en el siguiente esquema:

El experimento consta de una cámara de protección de plomo quecontiene polonio radiactivo, emite un rayo de partículas subatómicascon una carga positiva a través de un orificio. Actualmente se sabeque las partículas del rayo son agregados que contienen dos protonesy dos neutrones llamados partículas alfa. Además, se había colocadouna hoja de oro rodeada por una pantalla cubierta con sulfuro dezinc, que brillaba cuando era golpeada por las partículas con cargapositiva del rayo.

E. Rutherford con base en su experimento propuso su modelo atómicocomo:

1. Formado por un pequeño núcleo atómico en donde se encontrabaconcentrada la mayoría de la materia del átomo.

2. Los electrones giraban alrededor del núcleo de la misma maneraque los planetas giran alrededor del Sol (Como un pequeño sistemaplanetario).

3. La mayor parte del átomo correspondía a espacio vacío.

Sin embargo el modelo atómico de Rutherford tuvo algunas fallas,lo cual encaminó a la búsqueda de otros modelos atómicos paraexplicar lo que ocurría experimentalmente.

La primera evidencia de la partícula subatómica de cargapositiva es el tubo de rayos canales. En 1886 E. Goldstein usó untubo al vacío similar al de los rayos catódicos, pero con el cátodoperforado.

Debido a que se colaban por estos canales se les llamó rayoscanales.

Estos rayos por viajar en sentido contrario a los rayoscatódicos (de carga negativa) deberían estar compuestos de partículascon carga positiva.

En 1914 Ernest Rutherford propuso tomando como referencia lasinvestigaciones de Goldstein que la partícula más pequeña de losrayos positivos, con masa igual al hidrógeno, era la unidadfundamental de carga positiva. En 1919 al bombardear nitrógeno conrayos, primera reacción nuclear encontró la evidencia experimentaly en 1920 propuso que dicha partícula positiva se llamara protón.

Protón en griego significa “el primero” aunque históricamentefue la segunda partícula subatómica descubierta gracias a Rutherford.

El Número atómico

Moseley en 1913, halló que la longitud deonda de los rayos X disminuía regularmente amedida que aumentaba el peso atómico delelemento emisor. A partir de la longitud deonda característica emitida se calculó la“Carga nuclear de los átomos de cadaelemento”.

La magnitud de la carga nuclear sedenominó “Número atómico” .

AUTOEVALUACIÓN

Relaciona las columnas en el cuadro siguiente

()

Sugirió que en un mismo lugar de la Tablaperiódica podrían encontrarse más de untipo de átomos

a) Henry Becquerel

()

Propuso un modelo atómico formado por unpequeño núcleo en donde se encontrabaconcentrada la mayoría de la materia delátomo

b) Eugen Goldstein

c) Marie Sklodowska Curie

()

Encontró que a partir de la longitud deonda emitida por un elemento bombardeadocon rayos X es posible calcular la carganuclear del elemento

d) Ernest Rutherford

()

Descubrió la radiactividad e) Frederick Soddy

()

Descubrió los rayos canales

()

Encontró que algunos materiales como elUranio y el Torio también son radiactivos

f)Henry Moseley

Lee cuidadosamente cada pregunta. Subraya o complemente la respuesta correcta

1.- Los rayos canales al viajar en sentido contrario a los catódicosestán constituidos de partículas de carga:

2.- El protón es la segunda partícula subatómica descubierta porErnest Rutherford y en griego significa:

3) Al descubrimiento de Becquerel le llamó radiactividad :a) Marie Curieb) Rutherfordc) Thomsond) Pierre Curie

4) Descubrió que las radiaciones emitidas por materiales como eluranio son de tres tipos y les llamó rayos alfa, beta y gama :a) Marie Curieb) Rutherfordc) Thomsond) Pierre Curie

5) El núcleo atómico se descubrió bombardeando una lámina de oro conrayos , este hecho fue la base del modelo atómico de:

6) El número que expresa los protones de un núcleo se conoce como

Descubrimiento del Neutrón

En 1932, el físico James Chadwick siguiendo elexperimento de fisión de Rutherford bombardea conrayos átomos de berilio y encuentra que éstosemiten una radiación muy penetrante.Chadwick replanteó el problema y lo resolviópensando que esta radiación no está formada por luzde alta energía (rayos), sino se constituye con baseen una partícula proveniente del interior del átomo,diferente de las dos conocidas.

Esta partícula casi tiene la misma masa del protónpero no posee carga eléctrica. Ya que es eléctricamente neutra se lellamó Neutrón.

Una vez que se conocieron cada una de las partículassubatómicas, se conformó el siguiente cuadro de algunas de suscaracterísticas en forma resumida.

Características de las partículas subatómicas fundamentalesNombre Símbolo Carga eléctrica

relativaMasa(u)

Masa(g)

Cargaeléctrica(Coulombs)

Protón P+ +1 1.00783

1.673 x10-24

+1.602 x 10-

19

Neutrón n° 0 1.00903

1.675 x 10-24

1.68 x 10 -24

Electrón

e- -1 0.00055

0.109 x 10-28

-1.602 x 10-

19

2.4. Modelo atómico de Bohr

Los problemas objetados por la física clásica almodelo atómico de Rutherford, los solucionó en 1913 elfísico danés Niels Bohr.

En este modelo se propone que:

Los electrones giran alrededor del núcleo delátomo con energía constante. (No pierden energía,por eso no caen al núcleo).

Las órbitas son circulares y están cuantizadas en energía. Seclasifican en K,L,M,N, etc.

Surgen los niveles de energía. (Aparece el primer númerocuántico)

Los niveles cercanos al núcleo son de menor energía y loslejanos son de mayor energía.

Si un electrón absorbe fotones de energía, se puede promover aun nivel de mayor energía (estado excitado).

Cuando el electrón regresa a un nivel demenor energía emite fotones que equivalen a ladiferencia de energía entre ambos niveles.

Este modelo explica la radiación de algunoselementos al ser calentados, es decir explicasatisfactoriamente los espectros de emisión yabsorción de cada elemento. 2.4. Teoría cuánticaLa teoría cuántica se refiere a las reglas que rigen los cambios deenergía de un objeto.

Teoría de Planck

En 1900 Planck fue capaz de explicar la radiación que emite unobjeto caliente (radiación de un cuerpo negro). Los cambios deenergía asociados con la radiación del cuerpo negro no son continuos.Propuso que la energía radiante siempre se absorbe o se libera en“paquetes” de un tamaño mínimo, llamado quantum o cuantos.

En 1905 Albert Einsten postuló que la luz puede consistir enpaquetes de onda o pequeñas partículas en movimiento rápido llamadosfotones.

Una de las aplicaciones de la teoría de Planck es efectofotoeléctrico, el cual consiste en hacer incidir un haz de luz sobreuna superficie metálica limpia, causando que la superficie emitaelectrones.

2.4.1 Principio de Heisenberg

En 1927, Heisenberg propuso el principio de incertidumbre, elcual dice: “Es imposible conocer simultáneamente con exactitud perfecta los dosfactores importantes que gobiernan el movimiento de un electrón, su posición y suvelocidad” o dicho de otra manera “No es posible conocer al mismo tiempo laposición y la velocidad de un electrón”.

Si determinamos de modo experimental su posición exacta enciertos momentos, su movimiento se perturba en tal grado comoconsecuencia del experimento, que no será posible encontrarlo; yviceversa, al medir con exactitud la velocidad de un electrón, laimagen de su posición queda borrada.

La probabilidad de encontrar un electrón alrededor del núcleo sepuede representar en la siguiente manera:

Cómo se observa, es más probable localizar al electrón cerca del núcleo; esta probabilidad decrece a medida que la región se encuentra más alejada del mismo

La representación de la probabilidad se llama nube de carga o nubeelectrónica.

Así por ejemplo, el átomo de hidrógeno puede representarse de la siguiente forma:

En realidad el electrón puede estar en cualquier sitioalrededor del núcleo, menos en el núcleo mismo: hay regiones deese espacio en donde es muy probable encontrarlo y otras en dondees muy poco probable localizarlo. Las regiones del espacio querodean al núcleo y en donde la probabilidad de encontrar elelectrón es mayor, se llaman orbitales.

2.4.2 Principio de Dualidad de De Broglie

En 1922, Louis Víctor Pierre Raymond De Broglie, al inicio desus investigaciones advirtió que ni la teoría cuántica de la luz nila teoría corpuscular de los electrones eran satisfactorias; en susinvestigaciones teóricas sospechaba que el electrón podría no serconsiderado como un corpúsculo solamente, sino que una onda podríaasociarse con él. Por tal motivo, consideró la posibilidad de que la

materia, como en la luz y en la radiación, pudiera pensarse que loscorpúsculos se asocian con las ondas.

Asumió que cualquier partícula de materia, tal como el electrón,tiene ondas de materia asociada (partícula y onda)

Completa el siguiente mapa.

Partículas Subatómicas fundamentales

Neutrón (+)

Su masa es: Su masa es: Su masa es:

Se localiza girando fuera del núcleoSe localiza Se localiza

Mecánica cuántica

2.5 Números cuánticos

Schrödinger basó su modelo en las propuestas de De Bröglie, ypropuso la ecuación de onda que trata de describir el comportamientoondulatorio de una partícula; relaciona parámetros ondulatorios (comola amplitud y la longitud de la onda) con las energías total ypotencial, con la masa, que es un parámetro corpuscular, es decirdicha ecuación establece la relación entre la energía de un electróny la distribución de éste en el espacio.

El modelo de mecánica cuántica utiliza tres números cuánticos,n, l, ml, para describir a un orbital.

2.5.1. Los cuatro números cuánticos

Número cuántico principal, (n). Da una indicación aproximada de laenergía de un electrón y de su distancia promedio al núcleo e indicael nivel energético donde se puede encontrar un electrón. Los valorespermitidos de n son números enteros positivos de 1, 2, 3, ∞.Únicamente se llenan hasta el nivel energético 7, en lo que se conoce

como estado basal, debido a que en la Tabla Periódica los elementosconocidos solo ocupan 7 periodos.

Número cuántico secundario, Azimutal o de forma (l). Determina el subnivele indica la forma que posiblemente adquiera la región donde selocalice el electrón. Es factible que tenga valores enteros que vandesde 0 hasta n -1 para cada valor de n. Este número cuántico definela forma del orbital. El valor de l para un orbital en particular sedesigna generalmente por las letras s, p, d, f que corresponden a valoresde l de 0, 1, 2, y 3, respectivamente, como se resume en la siguientetabla.

Valor de l 0 1 2 3Tipo de orbital s p d fNo. deorbitales

1 3 5 7

Significado de las letras: las cuales se utilizaron paradescribir ciertos aspectos del espectro, antes del desarrollo de lamecánica cuántica.

s = Sharp (definida)p = principal (principal)d = diffuse (difusa)f = fundamental (fundamental)

Número cuántico magnético (ml). Describe las orientaciones probablesde los orbitales en el espacio. Puede tener valores enteros entre -ly + l , incluyendo cero.

Un grupo de orbitales con el mismo valor de n se denomina capaelectrónica. Por ejemplo, todos los orbitales con n = 3 se dice queestán en la tercera capa. Uno o más orbitales con el mismo conjuntode valores para n y para l se llama subcapa.

Relaciones entre los valores de n, l, y m para n = 4

n l Designación de la subcapa Valores de mcada valor es = 1 obital

Número de orbitalesen la subcapa

1 0 1s 0 1

2 01

2 s2 p

0-1, 0, 1

13

3012

3 s3 p3 d

0-1, 0, 1-2, -1, 0, 1, 2

135

4

0123

4 s4 p4 d4 f

0-1, 0, 1-2, -1, 0, 1, 2-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

1357

Representación de los orbitales

Número cuántico magnético de spin (ms). Se representa por ms (elsubíndice significa spin). Los valores permitidos únicamente son dos

+ ½ y – ½, lo que podemos interpretar como una indicación de las dosdirecciones opuestas en las que los electrones pueden girar. Algirar, una carga produce un campo magnético. Las dos direccionesopuestas del spin producen campos magnéticos en dirección opuesta,como se ve en la figura. Estos dos campos magnéticos opuestos hacenque las líneas del espectro se dividan en un par de líneas muy pocoespaciadas entre sí.

El electrón se comporta como si girara alrededor de un eje quepasara por su centro. Las dos direcciones del spin corresponden a losdos valores posibles para el número cuántico ms.

2.7. Configuración electrónicaA la representación de la distribución de los electrones en un

átomo se llama configuración electrónica. La configuraciónelectrónica más estable, o basal, de un átomo es aquella en la cuallos electrones se encuentran en los estados de energía más bajaposibles.

Para escribir la configuración electrónica de un átomo, se debetomar en cuenta su número atómico, además de tomar en cuenta lassiguientes reglas:

2.61. Principio de Edificación Progresiva ode Aufbau

Los electrones se asignan a los orbitalesatómicos en orden creciente de energía; secomienza con el orbital de menor energíaposible, o sea el orbital 1s. La secuencia dellenado se deduce aplicando el diagrama,conocido como regla de las diagonales.

2.6.2. Principio de Exclusión de Pauli

Un orbital no puede acomodar más de dos electrones, y un par deelectrones en un mismo orbital deben tener espines opuestos

Es decir: que no pueden haber dos electrones en un mismo átomo, quetengan el mismo conjunto de los cuatro números cuánticos n, ml y ms.

Para un electrón dado los valores n, l, ml y ms son fijos. Asípor ejemplo, en el átomo de He hay 2 electrones, ambos ocuparán elorbital 1s. Sin embargo, los dos electrones son distintos, susnúmeros cuánticos serán diferentes.

2.6.3. Principio de máxima multiplicidad o Regla de Hund

Un orbital puede ser ocupado por un par de electrones, sólodespués que otros orbitales de igual energía (orbitales degenerados)se han ocupado, al menos por un electrón.

En conclusión, la importancia de conocer la configuraciónelectrónica de un átomo, radica en que las propiedades físicas yquímicas que presenta el átomo son acordes a la distribución de suselectrones y determina la posición u ordenamientos de los elementosen la tabla periódica.

2.6.4 Configuraciones electrónicas, Kernell y gráfica

Un diagrama de orbitales o representación gráfica nos indicacomo están colocados los electrones en cada orbital. Ejemplo:

El guión ( ) representa un orbital atómico, el 1s indica el tipo de orbital que es, y la flecha indica que sólo hay un electrón en el orbital.Ejemplo:

La configuración electrónica y la representación gráfica de los siguientes elementos son:

Los electrones de valencia son aquellos que sobran o faltan enlos orbitales 5 y p exteriores para alcanzar una configuraciónestable de ocho electrones. Esta forma abreviada se llama estructurade Lewis.

1 2s 2px 2py

Para elaborar las estructuras deLewis de los diferentes átomos, debemos conocer su estructuraelectrónica para determinar cuantos electrones contiene cada unode sus últimos niveles energéticos (n).

Ejemplo:12Mg Configuración electrónica 1s2, 2s2,

2p6, 3s2

Si en el último nivel es n=3 con un orbital s, quecontiene 2 electrones; ¿Cuál es la estructura de Lewis?

Se da el nombre de kernell al núcleo atómico y a todos losniveles energéticos completos, exceptuando el nivel que contiene loselectrones de valencia, es decir, a los que se encuentran en el nivelexterior. El kernell se representa con el símbolo del elemento y secolocan alrededor de él puntos o cruces que representan a loselectrones de valencia.

Para elaborar la configuración electrónica de átomos con ungran número de electrones se emplean los gases raros (He, Ne, Ar,Kr, Xe, Rn,), ya que la configuración electrónica de éstos esestable (el último nivel completo con 8 electrones, excepto el heliocontiene 2 electrones).

2He 1s2

10Ne 1s2

2s2

2p6

18Ar 1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

36Kr 1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

4s2 3d10 4p

6

54Xe 1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

4s2 3d10 4p

65s2 4d10 5p

6

86Rn 1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

4s2 3d10 4p

65s2 4d10 5p

66s2

4f1

4 5d10 6p6

Las configuraciones electrónicas anteriores se representan conel símbolo de cada gas raro dentro de un paréntesis rectangular, asípor ejemplo:He; representa la configuración electrónica del helioNe; la del neónAr; la del argón, etc.

Si distribuimos los electrones considerando todos los orbitalesquedarían:

1s2, 2s

2, 2p6, 3s2, 3p

6, 4s2, 3d

10, 4p6, 5s

2, 4d10, 5p

6, 6s2, 4f

14, 5d10, 6p

6,7s

2, 5f14, 6d

10, 7p6

Apliquemos lo anterior para elaborar la configuración electrónica abreviada de varios átomos.

Ejemplo:7N Configuración electrónica 1s2, 2s2, 2p3

Localizamos el gas raro anterior al nitrógeno; es el 2He 1s2

Entonces:

7N = He 2s2, 2p

3 (Los electrones que faltan se escriben en la forma acostumbrada)

38Sr Configuración electrónica 1s2, 2s2, 2p6,3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2

El gas raro anterior al estroncio es el 36Kr

Entonces: 38Sr = Kr5s

2

80Hg = Xe6s2, 4f

9, 5d16

24Cr =Ar4s2, 3d4

AUTOEVALUACIÓN

Completa las siguientes tablas

Configuración electrónica y representacióngráfica Kernell

e-de

valencia

Númeroscuánticospara elelectrón

diferencial

45 Rh n l m spi

n

82 Pb n l m spi

n

16 S n l m spi

n

56 Ba n l m spi

n

ELEMENTO No. DE ELECTRONES No. DE NEUTRONES No. DE PROTONES75 As -3

3360 Ni +3

28198 Pt7880 Br -1

3540 Ca +2

20